KR101526402B1 - 연료 전지 차량의 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 차량의 대용량 양방향 컨버터가 연료 전지 차량의 상태를 실시간으로 모니터링하여 연료 전지 차량의 과도상태에서 제어 응답성을 높일 수 있도록 한 연료 전지 차량의 제어 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법은, 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리와, 상기 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리의 에너지의 흐름을 제어하는 양방향 컨버터, 그리고 연료 전지 차량의 전체 동작을 제어하는 연료전지 제어기를 포함하는 연료 전지 차량을 제어하는 방법으로서, 상기 연료 전지 차량의 운행 중, 상기 양방향 컨버터가 상기 연료전지 제어기로부터 전류 제한치에 대한 지령을 받는 단계; 상기 연료 전지 차량이 설정된 모드로 전환되었는지 여부를 상기 양방향 컨버터가 판단하는 단계;상기 연료 전지 차량이 상기 설정 모드로 전환되었으면, 상기 양방향 컨버터는 상기 연료전지 제어기로부터 지령된 전류 제한치를 자체적으로 변경하여, 변경된 전류 제한치를 토대로 설정된 제어를 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 차량의 제어 방법 및 시스템 {Method and system for controlling fuel cell vehicle}
본 발명은 연료 전지 차량의 양방향 컨버터가 연료 전지 차량의 상태를 실시간으로 모니터링하여 연료 전지 차량의 과도상태에서 제어 응답성을 높일 수 있도록 한 연료 전지 차량의 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템은, 연료로 사용되는 수소와 산화제로서의 공기를 연료 전지 스택에 공급하고, 그 연료 전지 스택에서 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산한다.
연료 전지 차량은 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
연료 전지 차량은 연료 전지 시스템 이외에 고전압 배터리를 탑재하여, 연료 전지 시스템의 에너지와 고전압 배터리의 에너지를 이용한다.
연료 전지 시스템 및 고전압 배터리를 이용하는 연료 전지 차량에는 두 전원 공급원의 효율적 에너지 흐름을 제어하기 위해 도 1에 도시한 바와 같이 대용량의 양방향 컨버터(bidirectional DC/DC converter)(20)가 일반적으로 설치된다.
연료 전지 차량은 상기 양방향 컨버터(20) 이외에 도 1에 도시한 바와 같이 연료 전지 차량의 전체 동작을 총괄적으로 제어하는 상위 제어기로서 연료전지 제어 유닛(FCU; fuel-cell control unit)(10)을 포함한다. 도 1에서 부재번호 30은 연료 전지 시스템을, 부재번호 40은 인버터를, 부재번호 50은 고전압 배터리를, 부재번호 60은 모터를, 부재번호 70은 저전압 직류변환장치(LDC; low voltage DC/DC converter), 부재번호 80은 보조 배터리를 지칭하며, 이들의 구성은 해당 업계에 널리 공지되어 있으므로 이들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 연료전지 제어 유닛(10)의 지령치에 따라서 고전압 배터리(50)의 충/방전 에너지 흐름, 양, 모드 변환 등이 결정된다. 고전압 배터리(50)에서 공급되는 방전 에너지는 양방향 컨버터(20)를 통해서 전력변환이 이루어져 연료 전지 차량의 전기 부하에 공급된다.
그리고, 연료 전지 차량의 운행 중 배터리(50)의 SOC가 떨어질 경우, 양방향 컨버터(20)는 연료 전지 스택의 에너지를 배터리(50)에 공급하는 제어를 수행한다. 또한, 브레이크 신호가 발생할 때, 양방향 컨버터(20)는 연료전지 제어 유닛(10)의 회생 지령에 따라 회생 제동에 의해 발생된 회생 에너지를 고전압 배터리(50)에 공급하여 충전한다.
이러한 일련의 에너지 흐름은 연료 전지 차량의 운행 과정에서 수백밀리초(ms)에서 수초 내에 이루어진다.
그런데, 신속한 에너지 변환이 요구되는 연료 전지 차량의 과도 상태에서도 양방향 컨버터(20)는 상위 제어기인 연료전지 제어 유닛(FCU)의 지령에 따라 해당 제어를 수행하기 때문에 순간적인 전압의 오버슈트/언더슈트 문제가 발생할 수 있었다. 이는 연료 전지 차량의 고전압 배터리의 출력단 전압에 영향을 주게 되고, 결국 연료 전지 차량 주행 중 순간적인 울컥거림 문제, 과전압에 의한 차량 셧다운, 단품의 내구성 저감 등의 문제를 일으킬 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 연료 전지 차량의 양방향 컨버터의 성능을 기반으로 양방향 컨버터도 직접 연료 전지 차량의 상태를 실시간으로 모니터링하여 연료 전지 차량의 과도상태에서 제어 응답성을 높일 수 있도록 한 연료 전지 차량의 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법은, 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리와, 상기 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리의 에너지의 흐름을 제어하는 양방향 컨버터, 그리고 연료 전지 차량의 전체 동작을 제어하는 연료전지 제어기(FCU)를 포함하는 연료 전지 차량을 제어하는 방법으로서, 상기 연료 전지 차량의 운행 중, 상기 양방향 컨버터가 상기 연료전지 제어기로부터 상기 고전압 배터리의 전류 제한치의 지령을 받는 단계; 상기 연료 전지 차량이 설정된 모드로 전환되었는지 여부를 상기 양방향 컨버터가 판단하는 단계; 상기 연료 전지 차량이 상기 설정 모드로 전환되었으면, 상기 양방향 컨버터는 상기 연료전지 제어기로부터 지령된 전류 제한치를 자체적으로 변경하여, 변경된 전류 제한치를 토대로 설정된 제어를 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 설정된 모드는 회생 모드 및 급가속 모드를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 차량이 상기 설정 모드로 전환되었으면, 상기 양방향 컨버터는, 상기 지령된 전류 제한치에서 상기 고전압 배터리의 전류량을 차감하여, 차감된 값이 설정값 미만일 때 상기 지령된 전류 제한치를 자체적으로 변경할 수 있다.
상기 연료 전지 차량이 회생 모드로 전환되고, 상기 차감된 값이 설정값 미만이면, 상기 양방향 컨버터는 상기 지령된 전류 제한치를 설정된 비율로 감소시킬 수 있다.
상기 연료 전지 차량이 급가속 모드로 전환되고, 상기 차감된 값이 설정값 미만이면, 상기 양방향 컨버터는 상기 지령된 전류 제한치를 설정된 비율로 증가시킬 수 있다.
상기 차감된 값과 비교되는 상기 설정값은 상기 지령된 전류 제한치의 5% 일 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 시스템은, 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리를 포함하는 연료 전지 차량의 제어 시스템으로서, 상기 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리의 에너지의 흐름을 제어하는 양방향 컨버터; 및 상기 양방향 컨버터의 상위 제어기로서 상기 연료 전지 차량의 전체 동작을 제어하는 연료전지 제어기;를 포함하되,
상기 양방향 컨버터는 상기 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지 차량의 양방향 컨버터가 연료 전지 차량의 상태를 실시간으로 모니터링하여 연료 전지 차량의 과도상태에서 제어 응답성을 높일 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지 차량의 운행시, 급격한 모드(회생 모드, 급가속 모드) 전환에서 발생되는 고전압 배터리의 출력단의 전압/전류 오버슈트, 언더슈트 발생에 따른 차량 셧다운 문제 해결, 고전압 단품들(고전압 배터리, LDC, 인버터, 블로어 등)의 내구성 확보, 원활한 전류 제어를 통한 효율성 증대 등을 보장할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료 전지 차량의 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 시스템은, 연료 전지 시스템(300) 및 고전압 배터리(500)를 포함하는 연료 전지 차량에 적용되는 시스템으로서, 연료 전지 시스템(300) 및 고전압 배터리(500)의 에너지의 흐름을 제어하는 양방향 컨버터(200); 및 양방향 컨버터(200)의 상위 제어기로서 상기 연료 전지 차량의 전체 동작을 제어하는 연료전지 제어기(100);를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 시스템은, 도 2에 도시한 바와 같이 인버터(400), 구동 모터(600), 저전압 직류변환장치(LDC; low voltage DC/DC converter)(700), 및 보조 배터리(800)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 제어기(100), 연료 전지 시스템(300), 인버터(400), 고전압 배터리(500), 구동 모터(600, LDC(700), 및 보조 배터리(800)은, 일반적인 연료 전지 차량에 탑재되는 것들로서, 당업자에게 자명한 것이므로 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.
즉, 상기 연료전지 제어기(100), 연료 전지 시스템(300), 인버터(400), 고전압 배터리(500), 구동 모터(600, LDC(700), 및 보조 배터리(800)은, 도 1에 도시한 것들로 할 수 있다.
상기 양방향 컨버터(200)는, 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 및/또는 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어로서, 상기 설정된 프로그램은 후술할 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 형성된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법이 적용되는 연료 전지 차량은 고전압 배터리(500)의 에너지를 이용하여 초기에 양방향 컨버터(200)를 통해 에너지 변환 후 시동을 걸게 되는 시스템이다.
시동이 걸린 후 연료 전지 시스템(300)의 스택이 기동되어 전기 에너지를 공급하게 되면, 고전압 배터리(500)는 연료전지 제어기(100) 및 양방향 컨버터(200)의 제어에 따라 가속 시 방전(boost mode), 회생 시 충전(buck mode)을 차량 운행에 따라 반복한다.
상기 연료 전지 차량이 정상상태의 가속 모드 또는 일반 주행 모드로 주행하는 중이면(S100), 양방향 컨버터(200)는 상위 제어기인 연료전지 제어기(FCU)(100)로부터 고전압 배터리(500)의 전류 제한치에 대한 지령에 따라 전류 제어를 수행한다(S200).
상기 연료 전지 차량이 일반 주행 모드 또는 정상상태의 가속 모드로 주행 중이면, 양방향 컨버터(200)는 종래기술에서와 같이 FCU(100)로부터 지령된 전류 제한치를 수신하여, 이 전류 제한치에 따라 고전압 배터리(500)의 전류 제어를 수행한다.
상기와 같이 연료 전지 차량이 일반 주행 모드 또는 정상상태의 가속 모드로 주행하다가 제동되어 회생 모드로 전환되면, 양방향 컨버터(200)는 상기 회생 모드로의 전환을 감지한다(S300).
상기 회생 모드로의 전환은 공지된 기술을 통해, 예를 들면 브레이크 신호의발생을 감지하여 용이하게 실시할 수 있는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 양방향 컨버터(200)가 회생 모드를 감지하면, 양방향 컨버터(200)는 상기 FCU(100)에서 지령된 전류 제한치에서 상기 고전압 배터리(500)의 전류량을 차감하여, 차감된 값이 설정값(예; 상기 지령된 전류 제한치의 5%) 미만일 때 상기 지령된 전류 제한치를 자체적으로 설정 비율(예; 5%)로 감소시키면서 제어 동작을 수행한다(S310, S320).
상기 연료 전지 차량이 회생 모드로 전환되는 경우, 고전압 배터리(500)의 에너지의 흐름이 반대로 전환되므로 고전압 배터리(500)의 전류 방향도 (+)에서 (-)로 전환된다. 이 순간 고전압 배터리(500)의 전류가 FCU(100)에서 지령된 전류 제한치에 도달하게 되는 경우가 발생하면, 고전압 배터리(500)의 실제 전력량이 상기 전류 제한치에 의해 제한되는 전력량을 초과하기 때문에 고전압 배터리(500)의 출력측 전압이 순간적으로 상승하여 고전압 배터리(500)는 과전압 상태가 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 컨버터(200)는, 회생 모드시, FCU(100)에서 지령된 전류 제한치와 고전압 배터리(500)의 실제 전류량을 자체적으로 비교하여 그 차이가 상기 전류 제한치의 약 5% 이내로 진입하게 되면, 양방향 컨버터(200)는 자체적으로 상기 전류 제한치의 양을 순차적으로 약 5%씩 감소시켜 순간적으로 상승하는 실제 전력량의 크기를 감소시킬 수 있다.
이로써, 양방향 컨버터(200)는 고전압 배터리(500)의 출력측 전압의 상승을 막게 되고, 상기 출력측 전압이 정상 상태에 도달되면, 양방향 컨버터(200)는 다시 FCU(100)에서 지령되는 전류 제한치에 따라 해당 동작을 수행한다.
한편, 연료 전지 차량이 급 가속을 하게 되면, 즉 연료 전지 차량의 운행 모드가 급 가속 모드로 전환되면(S400), 고전압 배터리(500)는 상기 급 가속 모드에 대응하기 위해 더 많은 양의 에너지를 방전하게 된다. 이 경우, 실제 고전압 배터리(500)에서 출력되는 전력량이 상기 전류 제한치에 의해 제한되기 때문에 상기 고전압 배터리(500)의 출력 전압이 순간적으로 감소하여 저전압 상태가 될 수 있다.
따라서, 상기한 회생 모드 전환에서 사용한 방법과 유사하게 양방향 컨버터(200)는 FCU(100)로부터 지령된 전류 제한치와 실제 고전압 배터리(500)의 전류량을 비교하여, 그 차이값이 상기 전류 제한치의 5% 미만이면(S410), 상기 양방향 컨버터(200)는 자체적으로 상기 전류 제한치를 5% 비율로 순차적으로 상승시켜 과도 상태를 극복하고 상기 고전압 배터리(500)에서 원활한 전류 흐름이 이루어지도록 한다(S420).
상기 고전압 배터리(500)의 방전 전류의 출력이 정상상태가 되면, 양방향 컨버터(200)는 다시 FCU(100)에서 지령되는 전류 제한치에 따라서 전류 제어를 수행한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 제어 방법은, 연료 전지 차량이 급격한 모드 전환을 하는 과도 상태에서, 종래에는 양방향 컨버터(200)가 상위 제어기인 FCU(100)의 지령에 따라 고전압 배터리(500)의 충/방전 에너지의 흐름을 제어하던 것을, 본 발명의 실시예에서는 양방향 컨버터(200)가 상기 과도 상태를 직접 자체적으로 판단하여 상기 전류 제한치의 크기를 자체적으로 조절함으로써 고전압 배터리(500)에서 순간적인 에너지 적체 없이 전류가 원활하게 출력될 수 있도록 한 방법이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 연료전지 제어기(FCU; fuel-cell control unit)
200: 양방향 컨버터(bidirectional DC/DC converter)
500: 고전압 배터리

Claims (7)

  1. 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리와, 상기 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리의 에너지의 흐름을 제어하는 양방향 컨버터, 그리고 연료 전지 차량의 전체 동작을 제어하는 연료전지 제어기를 포함하는 연료 전지 차량을 제어하는 방법으로서,
    상기 연료 전지 차량의 운행 중, 상기 양방향 컨버터가 상기 연료전지 제어기로부터 상기 고전압 배터리의 전류 제한치의 지령을 받는 단계;
    상기 연료 전지 차량이 설정된 모드로 전환되었는지 여부를 상기 양방향 컨버터가 판단하는 단계;
    상기 연료 전지 차량이 상기 설정 모드로 전환되었으면, 상기 양방향 컨버터는 상기 연료전지 제어기로부터 지령된 전류 제한치를 자체적으로 변경하여, 변경된 전류 제한치를 토대로 설정된 제어를 수행하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 설정된 모드는 회생 모드 및 급가속 모드를 포함하는 연료 전지 차량의 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 연료 전지 차량이 상기 설정 모드로 전환되었으면, 상기 양방향 컨버터는, 상기 지령된 전류 제한치에서 상기 고전압 배터리의 전류량을 차감하여, 차감된 값이 설정값 미만일 때 상기 지령된 전류 제한치를 자체적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 제어 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 연료 전지 차량이 회생 모드로 전환되고, 상기 차감된 값이 설정값 미만이면, 상기 양방향 컨버터는 상기 지령된 전류 제한치를 설정된 비율로 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 제어 방법.
  5. 제3항에서,
    상기 연료 전지 차량이 급가속 모드로 전환되고, 상기 차감된 값이 설정값 미만이면, 상기 양방향 컨버터는 상기 지령된 전류 제한치를 설정된 비율로 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 제어 방법.
  6. 제3항에서,
    상기 차감된 값과 비교되는 상기 설정값은 상기 지령된 전류 제한치의 5% 인 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 제어 방법.
  7. 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리를 포함하는 연료 전지 차량의 제어 시스템으로서,
    상기 연료 전지 시스템 및 고전압 배터리의 에너지의 흐름을 제어하는 양방향 컨버터; 및
    상기 양방향 컨버터의 상위 제어기로서 상기 연료 전지 차량의 전체 동작을 제어하는 연료전지 제어기;를 포함하되,
    상기 양방향 컨버터는 상기 제1항 및 제3항 및 제4항 중의 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 제어 시스템.
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